CN104846176A - 一种消除马氏体时效不锈钢薄带中δ铁素体的铸轧方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种消除马氏体时效不锈钢薄带中δ铁素体的铸轧方法，属于金属材料加工技术领域。本发明按照质量百分比为：C≤0.01，N≤0.01，Mn≤0.5，Si≤0.5，Al 0.2～0.4，Cr 11～13，Ni 8～10，Mo 3.5～4，Cu 1.5～2，Ti 0.5～1.5，余量为Fe和不可避免的杂质的化学成分选配原料，将原料经过真空冶炼和高温铸轧两个工艺步骤，制备得到无δ铁素体的马氏体时效不锈钢薄带，并改善了钢带的强度、塑性及韧性，较传统工艺制备的钢带其屈服强度提高8～10%，室温冲击韧性提高10～15%，同时本发明可降低能源消耗和生产成本，减少环境污染。

Description

一种消除马氏体时效不锈钢薄带中δ铁素体的铸轧方法

技术领域

本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种消除马氏体时效不锈钢薄带中δ铁素体的铸轧方法。

背景技术

马氏体不锈钢是一类可以通过热处理（淬火、回火）对其性能进行调整的不锈钢。根据钢中合金元素的差别，可将马氏体不锈钢区分为马氏体铬不锈钢和马氏体铬镍不锈钢两大类型。其中，根据钢中组织和强化机理的不同，马氏体铬镍不锈钢又可分为普通马氏体铬镍不锈钢、马氏体及半奥氏体（或半马氏体）沉淀硬化不锈钢和马氏体时效不锈钢。马氏体时效不锈钢是在马氏体沉淀硬化不锈钢基础上参照马氏体时效钢的特点而发展的一种超低碳马氏体沉淀硬化不锈钢。它们除了具有马氏体沉淀硬化不锈钢的优点外，由于系在超低碳马氏体基体上析出第二相，不仅强度高，屈强比高、而且韧性、断裂韧性均佳。同时，其弹性性能优异、耐蚀性和热稳定性好、热处理规范简便、加工成型性及焊接性能优良。因此，马氏体时效不锈钢正逐步代替沉淀硬化不锈钢等高强度不锈钢，成为超高强度不锈钢中最具有发展前途的钢种之一，在航空、航天、电力、石油、化工、机械制造、医用器材等重要领域有着广泛而迫切的应用需求。

马氏体时效不锈钢是由低碳马氏体相变强化和时效强化两种强化效应叠加而强化的高强度不锈钢，即是以Ni为主要合金元素形成柔韧的马氏体基体，通过Cu、Ni、Ti、Al、Mo等强化合金元素在时效处理时从马氏体基体中析出金属间化合物作为第二相质点来实现强化。在马氏体时效不锈钢的合金元素中含有较多铁素体形成元素，如Cr、Mo、Ti等。在传统的冶炼、浇注过程中，由于难以避免枝晶偏析（属于一种微观偏析），且Cr、Mo等铁素体形成元素在枝晶范围内的均匀化要比碳困难得多，使得传统铸坯内局部形成富铁素体形成元素区，造成铁素体形成元素含量高于设计成分，导致某些马氏体时效不锈钢的铸态组织内部易于形成δ铁素体。同时，由于合金元素的扩散系数很小，即使经过扩散退火也很难消除这种δ铁素体。最终，这种δ铁素体将保留至使用状态下的组织中。

在马氏体时效不锈钢中δ铁素体主要呈薄片状、岛状分布于原始奥氏体晶界及晶内，这些δ铁素体将给马氏体时效不锈钢带来一些危害：1.使钢的热塑性降低。钢的表面缺陷增多，不仅修磨量增加，而且会使成品率下降；2.可引起不锈钢的选择性腐蚀。由于δ铁素体与马氏体基体两相合金成分的差别，电位的差异将加速钢的腐蚀，而产生的选择性腐蚀在一定程度上影响马氏体时效不锈钢在一些条件下的应用；3.影响钢的塑性、韧性及强度。与马氏体基体相比，δ铁素体的强度较低，抵抗剪切变形的能力较差，属于一种软相。当马氏体时效不锈钢在拉伸、冲击过程中受到外力作用时，δ铁素体将首先断裂，形成微裂纹。同时，又由于其止裂性能差，易于为裂纹的择优扩展提供最佳路径，最终严重恶化材料的塑性、韧性及强度，降低材料的使用性能和服役寿命，直接影响航空、航天、电力、石油、化工、机械制造、医用器材等重要领域中相关设备的使用寿命和安全性，严重阻碍马氏体时效不锈钢的发展及应用。

目前，针对这一问题，专利CN101532110A公开了一种消除高强韧性马氏体不锈钢中δ铁素体的方法，即通过控制0Cr13Ni4～6Mo型马氏体不锈钢中的镍当量（Ni+30（C+N）+0.5Mn，各元素按质量百分含量计算）和铬当量（Cr+Mo+1.5Si，各元素按质量百分含量计算）比及传统铸造工艺实现完全消除铸坯中的δ铁素体。但是，此专利主要是针对0Cr13Ni4～6Mo型普通马氏体铬镍不锈钢，通过调节合金成分设计及传统铸造工艺来消除铸坯中的δ铁素体。此外，还需经过后续加热、轧制及退火等传统生产工序才可得到马氏体不锈钢薄带。但是由于在铸坯加热、轧制及退火等传统生产工序过程中难免造成材料的热加工损耗，这一方面将降低材料的利用率，从而增加生产成本；另一方面，在这些传统生产工序过程中将产生一定量的氧化铁皮，从而增加对生产环境的污染。专利CN102666902A公开了一种通过双辊薄带铸造方法制备的马氏体不锈钢及其制备方法。但是，此专利主要是针对普通马氏体铬镍不锈钢，利用双辊薄带铸造方法并加入晶界强化元素来确保铸造稳定性来制备具有优良抗裂性的马氏体热轧不锈钢板。并基于在线轧制、多次重复冷轧及中间退火等传统生产工序来制备具有高硬度的马氏体冷轧不锈钢板。并未对在传统铸造、浇注过程中某些马氏体时效不锈钢的组织内部易于形成δ铁素体，从而恶化性能等这一问题提出解决的技术方案。

发明内容

针对现有技术存在的各种问题，本发明提供一种消除马氏体时效不锈钢薄带中δ铁素体的铸轧方法。本发明的技术方案为：

一种消除马氏体时效不锈钢薄带中δ铁素体的铸轧方法，包括以下工艺步骤：

（1）按照质量百分比为：C≤0.01，N≤0.01，Mn≤0.5，Si≤0.5，Al 0.2～0.4，Cr 11～13，Ni 8～10，Mo 3.5～4，Cu 1.5～2，Ti 0.5～1.5，余量为Fe和不可避免的杂质，其中O≤0.005，P≤0.035，S≤0.01的化学成分选配原料，将原料加热至100～150℃并保温120分钟后，放入真空感应熔炼炉中，在真空度为0.1～1Pa的高真空环境下冶炼，得到钢水；

（2）氩气保护下将钢水浇入双辊薄带铸轧机中进行铸轧，其中浇注温度为1480～1520℃，铸轧速度为30m/min，铸轧力为50KN，最终得到消除δ铁素体的马氏体时效不锈钢薄带。

所述消除δ铁素体的马氏体时效不锈钢薄带厚度为1.0～2.0mm。

本发明与原有技术相比，具有如下突出优点和有益效果：

1.本发明在不改变合金成分的前提下，消除了严重恶化马氏体时效不锈钢性能的δ铁素体，改善了钢带的强度、塑性及韧性，较传统工艺制备的钢带其屈服强度提高8～10%，室温冲击韧性提高10～15%；并降低了钢带的表面缺陷，提高了钢带在一些环境介质下的耐蚀性以及使用寿命和安全性。

2.本发明采用薄带铸轧这一短流程工艺，与由冶炼、浇注、加热、轧制、退火等工序组成的传统工艺相比，大幅减少了薄带的生产工序，同时该工艺避免了钢带在传统铸坯加热、轧制及退火等生产工序过程中的能源消耗和加工损耗，节省能源矿产资源的同时提高了产品成材率，降低生产成本的同时提高了经济效益。

3.本发明避免了材料在铸坯加热、轧制及退火等传统生产工序过程中产生的大量氧化铁皮，并降低了因能源消耗所带来的有害气体排放，从而大幅度降低了材料在生产过程中所引起的环境污染，最终促进了可持续发展。

附图说明

图1为实施例1中采用传统工艺制备的马氏体时效不锈钢薄带显微组织的二次电子像，其中白色箭头所指为δ铁素体，黑色箭头所指为TiN；

图2为图1中显微组织的背散射电子像，其中白色箭头所指为δ铁素体，黑色箭头所指为TiN；

图3为实施例1中采用本发明制备的马氏体时效不锈钢薄带显微组织的二次电子像，其中黑色箭头所指为TiN；

图4为图3中显微组织的背散射电子像，其中黑色箭头所指为TiN；

图5为实施例2中采用本发明制备的马氏体时效不锈钢薄带的显微组织的二次电子像；

图6为实施例3中采用本发明制备的马氏体时效不锈钢薄带的显微组织的二次电子像。

具体实施方式

本发明实施例中采用的真空感应熔炼炉的型号为ZG-0.05。

本发明实施例中采用的双辊薄带铸轧机为水平式，配置有内冷式轧辊，轧辊直径为500mm，辊身宽度为110～254mm。

本发明实施例中采用的强度测量设备为CMT7000型微机控制电子万能实验机。

本发明实施例中采用的冲击韧性测量设备为Instron9250HV型冲击试验机。

本发明实施例中采用的传统工艺制备马氏体时效不锈钢薄带的主要步骤为：

按照质量百分比为：C≤0.01，N≤0.01，Mn≤0.5，Si≤0.5，Al 0.2～0.4，Cr 11～13，Ni 8～10，Mo 3.5～4，Cu 1.5～2，Ti 0.5～1.5，余量为Fe和不可避免的杂质，其中O≤0.005，P≤0.035，S≤0.01的化学成分选配原料，采用真空感应熔炼炉冶炼，浇注成40Kg铸坯，铸坯加热至1150℃保温120min后在Φ450mm×450mm二辊可逆实验热轧机上进行热轧，其中开轧温度为1100℃，终轧温度为850℃，得到厚度为5.0mm的热轧板。然后将热轧板在1050℃保温20min后淬火完成退火处理并经酸洗后在冷轧实验机上冷轧，得到厚度为1.0mm的冷轧板。最后再将冷轧板在1050℃保温20min后淬火完成退火处理，最终得到传统工艺制备的马氏体时效不锈钢薄带。

下面对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

制备厚度为1.0mm的马氏体时效不锈钢薄带，工艺步骤如下：

（1）按照质量百分比为：C 0.007，N 0.01，Mn 0.32，Si 0.15，Al 0.33，Cr 12，Ni 9，Mo 4，Cu 2，Ti 1，余量为Fe和不可避免的杂质的化学成分选配原料，将原料加热至100℃并保温120分钟后，放入真空感应熔炼炉中，在真空度为0.1～1Pa的高真空环境下冶炼，得到钢水；

（2）氩气保护下将钢水浇入双辊薄带铸轧机中进行铸轧，其中浇注温度为1520℃，铸轧速度为30m/min，铸轧力为50KN，最终得到厚度为1.0mm的马氏体时效不锈钢薄带。

另外，采用传统工艺制备与实施例1具有相同化学成分的马氏体时效不锈钢薄带，其中存在大量δ铁素体和TiN，如图1和2所示；其中δ铁素体中富集Cr、Mo两种铁素体形成元素，如图1中白色箭头①所指的δ铁素体（Cr、Mo两种元素的质量百分含量分别为14.57，6.02），图2中黑色箭头②所指的TiN中Ti和N两种元素的质量百分含量分别为67.40和22.99。本发明制备的马氏体时效不锈钢薄带中无δ铁素体存在，仅发现极少量的TiN，如图3和4所示。

将传统工艺和本发明工艺制备的钢带进行强度及冲击韧性测量，本发明制备的无δ铁素体马氏体时效不锈钢薄带的强度提高8%，室温冲击韧性提高10%。

实施例2

制备厚度为1.5mm的马氏体时效不锈钢薄带，工艺步骤如下：

（1）按照质量百分比为：C 0.01，N 0.01，Mn 0.5，Si 0.3，Al 0.2，Cr 11，Ni 8，Mo 3.5，Cu 1.5，Ti 1.5，余量为Fe和不可避免的杂质的化学成分选配原料，将原料加热至150℃并保温120分钟后，放入真空感应熔炼炉中，在真空度为0.1～1Pa的高真空环境下冶炼，得到钢水；

（2）氩气保护下将钢水浇入双辊薄带铸轧机中进行铸轧，其中浇注温度为1500℃，铸轧速度为30m/min，铸轧力为50KN，最终得到厚度为1.5mm的马氏体时效不锈钢薄带。

另外，采用传统工艺制备与实施例2具有相同化学成分的马氏体时效不锈钢薄带，其中存在大量δ铁素体。本发明制备的马氏体时效不锈钢薄带中无δ铁素体存在，如图5所示。

将传统工艺和本发明工艺制备的钢带进行强度及冲击韧性测量，本发明制备的无δ铁素体马氏体时效不锈钢薄带的强度提高10%，室温冲击韧性提高12%。

实施例3

制备厚度为2.0mm的马氏体时效不锈钢薄带，工艺步骤如下：

（1）按照质量百分比为：C 0.01，N 0.01，Mn 0.2，Si 0.5，Al 0.4，Cr 13，Ni 10，Mo 4，Cu 1.5，Ti 0.5，余量为Fe和不可避免的杂质的化学成分选配原料，将原料加热至100℃并保温120分钟后，放入真空感应熔炼炉中，在真空度为0.1～1Pa的高真空环境下冶炼，得到钢水；

（2）氩气保护下将钢水浇入双辊薄带铸轧机中进行铸轧，其中浇注温度为1480℃，铸轧速度为30m/min，铸轧力为50KN，最终得到厚度为2.0mm的马氏体时效不锈钢薄带。

另外，采用传统工艺制备与实施例3具有相同化学成分的马氏体时效不锈钢薄带，其中存在大量δ铁素体。本发明制备的马氏体时效不锈钢薄带中无δ铁素体存在，如图6所示。

将传统工艺和本发明工艺制备的钢带进行强度及冲击韧性测量，本发明制备的无δ铁素体马氏体时效不锈钢薄带的强度提高10%，室温冲击韧性提高15%。

Claims (2)

1.一种消除马氏体时效不锈钢薄带中δ铁素体的铸轧方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

（1）按照质量百分比为：C≤0.01，N≤0.01，Mn≤0.5，Si≤0.5，Al 0.2～0.4，Cr 11～13，Ni 8～10，Mo 3.5～4，Cu 1.5～2，Ti 0.5～1.5，余量为Fe和不可避免的杂质，其中O≤0.005，P≤0.035，S≤0.01的化学成分选配原料，将原料加热至100～150℃并保温120分钟后，放入真空感应熔炼炉中，在真空度为0.1～1Pa的高真空环境下冶炼，得到钢水；

（2）氩气保护下将钢水浇入双辊薄带铸轧机中进行铸轧，其中浇注温度为1480～1520℃，铸轧速度为30m/min，铸轧力为50KN，最终得到消除δ铁素体的马氏体时效不锈钢薄带。

2.根据权利要求1所述的一种消除马氏体时效不锈钢薄带中δ铁素体的铸轧方法，其特征在于所述消除δ铁素体的马氏体时效不锈钢薄带厚度为1.0～2.0mm。